清華大學電機系副教授袁立強：面向能源互聯網的電能路由器

2017-12-02 20:16:27 電力頭條APP　點擊量：評論 (0)

2017城市能源互聯網發展（北京）論壇暨能源互聯網示范項目建設與合作研討會于2017年12月1日在北京舉辦。下午技術論壇環節，清華大學電機系副教授袁立強發表演講，主題是：面向能源互聯網的電能路由器。下面為您帶

2017城市能源互聯網發展（北京）論壇暨能源互聯網示范項目建設與合作研討會于2017年12月1日在北京舉辦。下午技術論壇環節，清華大學電機系副教授袁立強發表演講，主題是：面向能源互聯網的電能路由器。

下面為您帶來袁立強的精彩演講

袁立強：

我今天的報告是面向能源互聯網的電能路由器。我們從電力電子的角度談一談對電能路由器的理解。包括定義功能、發展歷程、應用分析和關鍵技術來談談我一點點體會。在座想聽關鍵技術，恐怕要失望了，我今天只是拋磚引玉講一些故事。

我們對能源互聯網和電能路由器的理解是這樣，我們認為它倆是非常密切相關，都是從樸素的理念出發，我們用微信、手機分享很多信息，我們能不能創造一個能源互聯網來分享能源，這是非常樸素的想法。基于這樣的想法，我們來想能量路由器在能源互聯網的作用就很簡單了。比如在類互聯網過程中，能源路由器跟能源互聯網的作用就跟普通路由器跟普通互聯網的作用是差不多，但是它倆有巨大差別，能量不可區分，不妨礙我們對重要性的理解。

從狹義能源互聯網理解，傳輸的能量主要以電能為主，能源路由器在里面就非常有作用。

過去十年能源互聯網和電能路由器。無論有能量路由器還是電能路由器有很多定義，什么是電能路由器？

兩年前我們兄弟院校浙江大學有一個教授發文章闡述這樣一個概念，電能路由器為電能提供變換、隔離和管理的作用。它是一種集成了信息技術和電力電子技術，實現分布式能量的高效利用和傳輸設備，這種概念很棒，沒錯，總感覺哪個地方地方沒吃透，這是一個新概念，怎么辦？今年，我們團隊的一個教授，在電機工程學報發了一篇文章，從多個角度闡述這件事情，從電力系統角度看，就是一個面向主動配電網或者智能終端電力管理調節器，從互聯網思維，今天上午和剛才很多人說得很清楚，就是一個物理系統和信息系統相互制約和管理的設備。從用戶角度，你能為我實現什么，實現電壓變換、諧波治理、即插即用等。從電力電子的角度，是多端口、多級聯、多流向多、形態的電力電子變換器。這樣的定義有什么功能？同樣在這篇文章，我們團隊的頭闡述了五個基本功能。

第一，能夠為新能言發電和分布式儲能裝置提供即插即用的交、直流接口。可以接入直流的微網也可以接入交流的微網也可以直接接入不同電壓器和電流的負載，同時接入傳統10千伏或者低壓3.8伏的配給裝置。

第二，能夠實現電壓變換電氣隔離，能量流向可控，提升電能質量。我們現有很多的電氣設備部分功能集中在一起，我們幫它理解成電能路由器。

第三，能夠根據故障和系統需求，自主的與主網進行分離或者并網提供電網的自愈性，能獨立運行可以和電網協同運行，并網同時上網，并網不上網，搞光伏的很多人了解這個概念，什么叫并網不上網等等。

第四，能夠快速實施能量路由，保證各個線路所需快速匹配范圍。在構建面向未來配電網過程中，核心的電力電子裝置，電能路由器或者能量管理中心或者固態變壓器也好都發揮了至關重要的作用，都是實現這樣一個能量的快速路由的功能。

最后，能量路由器或者電能路由器，必須能夠實施同步共享信息，實現信息流與能量流相互制約和管理。在這樣一個圖，能量流和信息流兩個網絡相互嵌套在一起。這樣好用的功能是不是今天發明出來，其實不是，很早有人提過這個東西。早在1968年和80年左右美國就有案例，電子變壓器，固態變壓器，智能的，電力電子，能量管理中心、電能路由器等等，很早就有這樣一個觀念，無論從哪個方式來講，從電路拓撲上，電氣結構上不斷迭代和發展，可以簡單梳理，從這樣一個時間軸來看。

從60年，主要是高頻鏈變換器，80年代不隔離純粹變換器，上個世紀末到直流到交流的變換。20世紀初到了三級式。前幾年為了讓變換器能量功率等級提升，模塊化結構成為一個標準，最新非常熱門多端口模塊化的結構，為什么有這樣一個流程？從這個流程中我們會看到一些比較有趣的故事，為什么有那么多名字？拓撲結構為什么這樣發展。

最早，叫電子變壓器。電力電子是50幾年開始創立，這個東西好用，第一個想到改造變壓器，提高變壓器的頻率，性能會有改革，最初最根本的想法把電子設備加入到傳統的銅和鐵。到了80年代固態的半導體材料全面替代了以前的，就叫固態變壓器。到上個世紀末，很多新的技術和拓撲加入進來。首先引入了雙向開關，加入了真正的第一個智能功能就是功率因素校正，讓變壓器帶上一點智能的味道。后來不斷把頻率提高、功率提高，到上個世紀末，99年或者2000年，三級式的結構成為大家所欣賞的拓撲，讓隔離級從前后級中間拖開，高頻隔離是大家逐漸關注的特點。至于三級式的架構奠定了后續拓撲發展的基礎，過去十幾年，呈現了一個非常多元化的發展，包括矩陣式，模塊化多點評、交叉并聯，單輸入單輸出變成多端口，這樣電力電子變壓器過渡到電能路由器的時代。

其實從它的發展歷程中我們基本上能夠看到一些它的應用前途，現階段我稍微梳理一下，這個東西電能路由器能拿來干嗎用？我們逐層遞進看看功能。

中間有一個標志性的事件，2010年美國能源部和自然基金委投資了6千萬美金，后來在2014年重新追加了，為這個系統追加多少錢，我沒查，為整個范疇增加1.4億美金，建立了這樣一個系統，我剛才提到未來可再生能源傳輸與分布系統。在這個系統中最核心的部件，電力電子變壓器，被MIT評為前十大未來應用之一。

我們看它的應用，第一個性能提升，電力牽引和提升功率密度。先進行電力電子變換再加上電能路由器，讓效率提升，讓功率密度大大提高上來。

第二，功能升級。互聯網發展了很多，互聯網發展離不開數據中心，數據中心配電網絡的改造是他們非常關注的一個事情。這個圖上，左邊這個已經是數據中心第一代和第二代的改造，將內部低壓交流配線，變成低壓直流配線，但現在遠遠滿足不了需求，如果電能路由器能夠滲入到數據中心，不但讓性能提升，將新能源、其它網絡，儲能的形式跟它高度集成在一起。

第三，面向能量多功能，真正說是能源互聯網，這里只是給了一個簡單的框架，是兩個交流的配電網帶四個負載中心的情況。通過路由器交叉互聯，讓整個中心和配電網之間的能量完全進行共享這個才是真正實現能量路由的功能，這個架構基于35千伏或者10千伏的交流以及20千伏直流架構來實現。

這樣的變換器這么好用，是不是好做？其實并不好做。因為這樣的一個裝置，包含電力電子很多前沿難點問題。我們用到最新的器件和最新的材料，寬禁帶半導體器材，高頻導磁材料。同時由于這種變換器的拓撲結構復雜、端口復雜，對于它的組合特性就帶來新的挑戰。當然控制上也成為問題。原來我們變換器面對都是簡單應用，拓撲電機，儲能，現在應用面臨所有負載、儲能、還要跟互聯網相連，多形態問題就暴露出來。

如果從材料和元器件層面看，我們把變換器跳出來看是什么。其實就是導電、導磁，半導體和絕緣材料的綜合應用，幾個材料相互匹配、比例關系很有意思的事情。有人說銅和鐵的價格會下降，不滿足摩爾定律，我們做裝置做應用來說這是很頭疼的事情。我選擇很多，多不等于好，如果有一種器件解決這個問題，我們就不用思考。技術考慮很難嗎？實際上這里頭不單純是技術問題。大家做工程應用貨實際研發，你做基礎材料就要考慮相互的這些關系，上游和下游配套關系。下面幾輪做變壓器，是用5K還是500K，怎么跑銅耗和鐵耗的問題，絕緣等級的問題，我相信很多變壓器廠沒搞明白，這是我們現在材料底層上技術上6一個難題。

變換單元組合技術。單一的模塊和功率有限和系統功能和容量不斷增加，多因素綜合考慮，承壓同流能力、損耗、成本、控制、復雜度、器件利用率，電氣隔離、新能源高效接入，交直流混合微網的互聯。

下一個是即插即用，這個東西到底是什么？到底怎么定義，我們只能從外圍功能上進行描述，保證電路路由器接入源和荷的靈活性和實時性。

具有主動詢問并接受各類負載、分布式新能源分布式儲能接入系統的能力。

通過既定的握手協議等信息交互過程。

還有一個控制技術問題，電能路由器的控制比常規普通控制器的控制要復雜一些。電能路由器功能龐大，面臨環境復雜，內部有高頻開關速度，兩個矛盾一疊加，還要讓復雜變換器的控制性能比傳統控制器性能要好，你要上新的策略，我們嘗試能量控制平衡的行為，得到一些好的嘗試。

除此之外，電能路由器需要分級通信、分級能量管理、快速仿真等等一大堆相關的輔助技術。

最后給大家一個案例，這是我們跟企業合作，在去年完成樣機今年準備現場投用的三個端口的控制器。IsCH硅基器件，混合多電拓撲。

電能路由器是全新的電力電子裝備的系統，在電氣工程領域和電力電工行業，會帶來一場全新的變革。我們團隊有7位老師，打頭是趙爭鳴教授。其他的幾個老師是組成。你們看七個人量子三各專業，包括電力系統、電力電子、包括柔輸，這是搞電能路由器一個夢之隊。

我的報告到這兒，謝謝大家！

（發言為現場速記整理，未經本人審核）